Elektronik Kontrollü Dizel Motorlarda Performans Arttırımı Serkan Mahir YÜKSEK LİSANS TEZİ Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Haziran 2007

(1)

Elektronik Kontrollü Dizel Motorlarda Performans Arttırımı

Serkan Mahir YÜKSEK LİSANS TEZİ Makina Mühendisliği Anabilim Dalı

Haziran 2007

(2)

Performance Improvement Of Electronic Controlled Diesel Engines

Serkan Mahir

MASTER OF SCIENCE THESIS Department of Mechanical Engineering

June 2007

(3)

Performans Arttırımı

Serkan Mahir

Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Lisansüstü Yönetmeliği Uyarınca Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Enerji Termodinamik Bilim Dalında

YÜKSEK LİSANS TEZİ Olarak Hazırlanmıştır

Danışman: Prof. Dr. Kemal Taner

Haziran 2007

(4)

Üye : Prof. Dr. Kemal Taner

Üye : Doç.Dr. Haydar Aras

Üye : Doç.Dr. Neşe Öztürk

Üye : Yrd. Doç. Dr. İrfan Üreyen

Üye : Yrd. Doç. Dr. Ramazan Uğurlubilek

Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu’nun ... tarih ve ...

sayılı kararıyla onaylanmıştır.

Prof. Dr. Abdurrahman KARAMANCIOĞLU

Enstitü Müdürü

(5)

SERKAN MAHİR

ÖZET

Günümüzde dizel motorlar endüstriyel hayatta yaygın olarak kullanılmaktadır.

Piyasa koşullarındaki rekabetçi ortam ve yüksek enerji maliyetleri sebebiyle motor performansı optimize edilmeye çalışılmaktadır. Bu amaç doğrultusunda gelişen teknoloji ile birlikte hayatımıza giren elektronik sistemlerin kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır.

Bu çalışmada, dizel motorlar incelenerek motor performansını etkileyen parametreler belirlenerek açıklanmıştır. Elektronik kontrollü dizel motorlarda bu parametrelerin nasıl kontrol edildiği üzerinde durulmuştur. Örnek elektronik kontrollü dizel motorda belirtilen parametreler (avans açısı, silindir içi yanma basıncı, yakıt basıncı, giriş hava basıncı, yakıt miktarı…) hazırlanan değerler ile motorun

karakteristiğinin gözlenebileceği çalışma koşullarında incelenmiştir. Deney tasarımı yapılarak incelenen parametreler değiştirilerek yanma optimizasyonu sağlanarak motorun birim yakıt tüketimi başına verdiği tork değeri arttırılmaya çalışılmıştır.

Motorun maksimum performasını minimum yakıt tüketimi ile elde edileceği bu değerler belirlenmiştir. Belirlenen değerler matematiksel eşitlik kurularak formüle edilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Dizel Motorlarda Yanma Optimizasyonu İçten Yanmalı Motorlarda Silindir içi Basınç Değişimi Motorlarda Birim Yakıt Tüketiminin Azaltılması

(6)

SERKAN MAHİR

SUMMARY

Today's World, Diesel engines are commonly used in industrial applications.

Increase cost of energy and competition in industry, performance of diesel engines are tried to be optimized. According to the aim, application of electronic systems in diesel engines become widespread.

In this study, diesel engines were analyzed and the effective parameters on diesel engines performance were analyzed. The parameter control on electronic controlled diesel engines was explained. On a sample engine, the given parameters (degree of crankshaft for primary injection, peak fire pressure (pfp), fuel pressure, boost pressure, fuel

quantity…) were analyzed on test cells to define engine characterization. With a design of experiment, specific fuel consumption of engine was decreased by changing the

parameters. The parameters which supply the maximum specific fuel consumption (SFC) values were determined. The determined parameters were formulized by mathematical equations.

Keywords: Combustion Optimization In Diesel Engines

The Change Of Peak Fire Pressure In Internal Combustion Engines Specific Fuel Consumption Decrease In Engines

(7)

Yüksek Lisans çalışmalarında, gerek derslerimde ve gerekse tez çalışmalarında, bana danışmanlık ederek, beni yönlendiren ve her türlü olanağı sağlayan danışmanım sayın Prof. Dr. KEMAL TANER'e içten teşekkürlerimi sunarım.

(8)

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ...….………V SUMMARY …………...………...Vİ

TEŞEKKÜR ...………...Vİİ ŞEKİLLER DİZİNİ ...…...XVII ÇİZELGELER DİZİN ……...………...IXX ŞEKİLLER VE KISALTMALAR DİZİNİ ...………....………...XXII

1.GİRİŞ VE AMAÇ ...………...1

2.İÇTEN YANMALI MOTORLAR ………...2

2.1. İçten Yanmalı Motorların Tarihçesi ………...2

2.2. İçten Yanmalı Motorların Sınıflandırılması .………...3

2.2.1 Silindir düzenlemesine göre ...3

2.2.2 Çalışma zamanlarına göre ...3

2.2.3 Ateşleme türüne göre ...3

2.2.4 Karışımın oluşumuna göre ...4

2.2.5 Soğutma yöntemine göre ...4

2.2.6 Temel hareketin elde ediliş şekline göre ...4

(9)

İÇİNDEKİLER(devam)

Sayfa

2.2.7 Supap düzenine göre ...4

2.2.8 Havanın silindirlere doldurulma şekline göre ...4

2.2.9 Yakıt türüne göre ...4

2.3. Temel Çevrimlerin İncelenmesi ………….………..……...5

2.3.1 Otto çevrim ...5

2.3.2 Dizel çevrim ...5

3. MOTOR KARAKTERİSTİĞİNİN BELİRLENMESİ………...7

3.1 Motor Karakteristiğini Belirten Temel Kavramlar…………..………...7

3.1.1 İndike güç...7

3.1.2 Özgül yakıt sarfiyatı………...8

3.1.3 Ortalama indike basınç………...8

3.1.4 İndike verim………...8

. 3.1.5 Ortalama efektif basınç...8

3.1.6 Mekanik verim………...8

3.1.7 Efektif verim………...8

3.1.8 Motorun güç eğrilerinin incelenmesi………...9

3.2 Motor Yakıtının Özellikleri………...10

(10)

Sayfa

3.2.1Vuruntumukavemeti...11

3.2.2Uçuculuk...11

3.2.3 Vizkozite ...11

3.2.4 Yakıt ve yanma ürünlerinin korozitif özelliği...11

3.2.5 Tortu miktarı……...11

3.2.6 Çinkoya karşı aktivitesi ...12

3.2.7 Akma noktası - Donma noktası ...12

3.2.8 Alevlenme noktası………...12

3.2.9 Yakıtın özgül ağırlığı………...12

3.3 Yanmanın Kimyasal Olarak İncelenmesi………...10

3.3.1 Yanmanın Temel Olarak İncelenmesi...11

4.GENEL YAKIT PÜSKÜRTME YÖNTEMLERİ………..14

4.1Yakıt Sistemleri……….……….………...14

4.1.1Yakıtın yüksek basınçta püskürtülmesi………...14

4.1.2 Püskürtülen yakıt miktarının tam olarak ölçülebilmesi………...14

(11)

Sayfa

4.2 Yakıt Sistemine Yardımcı Diğer Sistemler………...16

4.2.1 Hava emiş sistemi………...16

4.2.2 Soğutma sistemi………...18

5. DİZEL MOTORLARDA ELEKTRONİK KONTROL………...19

5.1 Motorlarda Elektronik Kontrol……….………...19

5.1.1 Mikro işlemcili kontrol sistemi………...19

5.1.2 Giriş elemanı………...20

5.1.3 Mikro işlemci………...20

5.1.4 Mikrobilgisayarlar………...21

5.1.5 Hafıza haritaları………...23

5.2 Günümüz Motorlarında Elektronik Kontrol ve Yakıt Sistemi ...…23

5.2.1 Alçak basınç hattı ...25

5.2.2 Yüksek basınç hattı ...25

6. DENEYSEL ÇALIŞMADA KULLANILAN MOTOR………... .27

6.1. Motora Ait Genel Bilgiler………...27

(12)

Sayfa

6.2 Motorun Temel Kontrol Parametreleri ve Açıklaması…………... ……….30

6.3 Yakıt Sisteminin Ayrıntılı Olarak İncelenmesi………...31

6.3.1Püskürtme zaman haritaları………...31

6.3.2Püskürtme süre haritaları...32

6.3.3Püskürtme basınç haritaları………...32

6.3.4 Püskürtme sürdürülebilirlik haritaları………...32

6.3.5 Sınırlama parametreleri………...32

6.4MotorKalibrasyonAdımları...33

6.4.1 Motorun temel karakteristiğinin belirlenmesi ………...33

6.4.2Belirlenen noktalarda istenilen torkun veya gücün sağlama………..34

6.4.3 Sınırlama haritaları ile motorun herhangi arıza moduna karşı koruma …...40

7. DENEYSEL ÇALIŞMALARDA KULLANILACAK EKİPMANLAR……...44

7.1. Testin Yapılacağı Dinamometreye Ait Bilgiler………...……....44

7.2 Silindir İçi Basınç Ölçümü İçin Sensör ve Ara yüzün Temel Çalışma Prensibi..50

7.2.1 Silindir içi basıncın ölçülmesi öncesi hazırlıklar...50

(13)

Sayfa

8. DENEYSEL ÇALIŞMA……….…………...55

8.1. İzlenecek Yöntem………...55

8.2. Motorun Mevcut Çalışma Koşullarının Belirlenmesi…...56

9.DENEYSEL BULGULAR VE TARTIŞMA………...59

9.1. Ölçüm Sonuçları………..….59

9.2 Ölçüm Sonuçlarının Karşılaştırılması ve Denemelerdeki Temel Kriter………..63

9.2.1 2400 rpm motor devri %100 yük durumunda ………….. ...63

9.2.2 2400 rpm motor devri %50 yük durumunda ...63

9.2.7 1800 rpm motor devri %100 yük durumunda ………...65

(14)

Sayfa

9.3 Ölçüm Sonuçlarına Göre Optimizasyon………...67

9 .3.1 2400 rpm motor devri %100 yük çalışma durumuna göre ...67

9.3.2 2400 rpm motor devri %50 yük çalışma durumuna göre ...68

9.3.4 2200 rpm motor devri %50 yük çalışma durumuna göre...70

9.3.10 1600 rpm motor devri %50 yük çalışma durumuna göre …………...76

9.3.11 1450 rpm motor devri %100 yük çalışma durumuna göre …………....77

9.3.12 1450 rpm motor devri %50 yük çalışma durumuna göre …………...78

9.4 Ölçüm Sonuçlarını Matematiksel ve İstatistiksel İncelenmesi……...82

9.4.1 2400 rpm motor devri tüm pedal pozisyonları ...82

(15)

Sayfa

10. SONUÇLARIN İNCELENMESİ………...88

11. KAYNAKLAR DİZİNİ………...89

(16)

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

3.1 Örnek bir indike güç diyagramı ...7

3.2 Örnek be – pme eğrisi ... 9

3.3 Örnek bir motor için performans eğrisi …………... 10

4.1 Örnek bir motor için her iki yöntemin karşılaştırılması ………...15

4.2 Turbo şarj sistemi………...17

5.1 Örnek mikro işlemci genel görünümü ...19

5.2 Örnek mikro işlemci içyapısı ...20

5.3 Açık devre kontrol sistemi genel gösterim...21

5.4 Kapalı devre kontrol sistemi genel gösterim ...21

5.5 Merkezi kumanda birimi girdi ve çıktılar genel gösterimi……... 24

5.6 Örnek bir motorun elektronik kontrolünün genel gösterimi……...25

6.1 Motorun ön görünüş kesit resmi ………...29

6.2 Yakıt sistemi şematik gösterimi ………...30

6.3 İncelenecek olan motorun temel tork ve güç eğrisi……... 34

7.1 Zölner tipi dinamometre genel görünüm ………...45

7.2 Dinamometre bağlı motor ve odanın genel görünümü…………...46

7.3 Dinamometre yakıt ölçüm cihazı genel görünüm………...47

7.4 Egzoz gazları ölçüm cihazı………...48

7.5 Duman cihazı genel görünüm…...49

7.6 Blow by ölçüm cihazı genel görünüm…...50

7.7 Silindir içi basınç ölçüm için kullanılan sensör ve adaptör……...51

7.8 Basınç ölçüm sensörünün adaptör içerisindeki görünümü……... 52

7.9 Motorun üzerinde sensörün bağlandığı hal genel görünüm…... 52

7.10 Krank mili açısı ölçme amaçlı aparat genel görünüm... 53

7.11 Ölçüm amaçlı sensör bilgisayar bağlantı ara yüz genel görünüm……... 54

7.12 Pfp sensör motor üzerinde genel görünüm……... 54

8.1 İncelenecek motordaki kritik noktaların belirlenmesi…... 56

9.1 2400 rpm %100 yük ölçüm değerleri SFC grafiği……... 68

(17)

ŞEKİLLER DİZİNİ(devam)

Şekil Sayfa

9.3 2200 rpm %100 yük ölçüm değerleri SFC grafiği …... 70

9.6 2000 rpm %50 yük ölçüm değerleri SFC grafiği ... 73

9.7 1800 rpm %100 yük ölçüm değerleri SFC grafiği ……... 74

9.8 1800 rpm %50 yük ölçüm değerleri grafiği…... 75

9.9 1600 rpm %100 yük ölçüm değerleri SFC grafiği…... 76

9.11 1450 rpm %100 yük ölçüm değerleri SFC grafiği…... 78

(18)

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo Sayfa

2.1 Ottove dizel çevrim 4 motor zamanı için karşılaştırılması……...6

3.1 Bazı yakıt türleri için ısıl değeri ...9

6.1 Örnek motorun teknik özellikleri ...27

6.2 Örnek bir krank açısı tablosu…...36

6.3 Örnek gaz pedalı kalibrasyonu…………...37

6.4 Egzoz salınım değerleri tablosu ... ...37

6.5 Örnek yakıt basıncı tablosu...39

6.6 Örnek gaz pedalı kalibrasyon tablosu ...39

6.7 Örnek dişli koruma haritası……...40

6.8 Motor koruma modu haritalar...41

6.9 Duman değerini sınırlama haritaları………...42

7.1. Dinamometre genel özellikleri…………...56

8.1 Ölçülen değerler…………...69

9.1 145 bar pfp ile tüm ölçüm sonuçları...71

9.2 150 bar pfp ile tüm ölçüm sonuçları…………...72

9.6 170 bar pfp ile tüm ölçüm sonuçları ……...74

9.9 2400 rpm %100 yük ölçüm değerleri tablosu...79

9.10 2400 rpm %50 yük ölçüm değerleri tablosu…………...80

9.11 2200 rpm %100 yük ölçüm değerleri tablosu………...81

9.15 1800 rpm %100 yük ölçüm değerleri tablosu………...85

(19)

TABLOLAR DİZİNİ(devam)

Tablo Sayfa

9.23 Örnek motor için değişik devir ve yüke göre ideal çalışma parametreler...93

9.24 2400 rpm denklem girdilerinin çözünürlüğe etkisi...94

9.25 2200 rpm denklem girdilerinin çözünürlüğe etkisi…...95

9.27 1800 rpm denklem girdilerinin çözünürlüğe etkisi…...97

9.30 1300 rpm denklem girdilerinin çözünürlüğe etkisi...99

(20)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Simgeler Acıklama .

bi Özgül Yakıt Sarfiyatı(g/kWh) cp,Eg Egzoz Gazlarının Özgül Isısı cp,S Soğutucu Akışkanın Özgül Isısı

He Birim Zamanda Atılan Egzoz Entalpisi

EE,K Birim Zamanda Egzoz Gazlarının Taşıdığı Kinetik Enerji HE,EY Birim Zamanda Eksik Yanma İle Kimyasal Enerji Kaybı HE,H Birim Zamanda Egzoz Gazları İle Atılan Hissedilebilir Entalpi HG Birim Zamanda Yakıt İle Giren Toplam Enerji(entalpi)

Ho Silindirde Birim Zamanda Oluşan Enerji Hu Yakıtın Isıl Değeri(kJ/kg)

i Çevrim/Devir

k Adyabatik Üst Katsayısı mEg Egzoz Gazlarının Debisi mS Soğutucu Akışkan Debisi

mtop Birim Zamanda Giren Toplam Kütle my Birim Zamandaki Yakıt Miktarı(kg/sn) n Devir/Saniye

nç Motor Devir Sayısı(rpm) P Basınç

Pe Efektif Güç

Pf Toplam Sürtünme Gücü Pfp Piston Sürtünme Gücü Pi İndike Güç

Pİ İndike Güç(kW)

Pme Ortalama Efektif Basınç(Pa) Pmi Ortalama İndike Basınç(Pa) po Referans Basıncı

(21)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ(devam)

Simgeler Acıklama

QE,R Egzoz Sistemi İle Birim Zamanda Radyasyonla Kaybedilen Enerji Qs Birim Zamanda Soğutucu Akışkana Giden Enerji

Qs,e Egzoz Portlarında Birim Zamanda Soğutucu Akışkana Geçen Enerji Qw Silindir Cidarından Olan Birim Zamandaki Isı Kaybı.

qgiren Giren Birim Isı qçıkan Çıkan Birim Isı

QD Birim Zamanda Toplam Enerjiden Arta Kalan Diğer Isı Miktarı Qm Birim Zamanda Mekanik Kayıplarla Isıya Dönüşerek Kaybolan Enerji Qmin Stokiyometrik Yanma Olması Durumundaki Katsayıdır

QS Birim Zamanda Soğutucu Akışkana Sevkedilen Enerji

QSi Birim Zamanda İndike Olaylarda Soğutucu Akışkana Sevkedilen Enerji rv Hacim Artış Oranı

s Entropi T Sıcaklık

TEg Egzoz Gazlarının Sıcaklığı

TS,Ç Soğutucu Akışkanın Çıkış Sıcaklığı TS,G Soğutucu Akışkanın Giriş Sıcaklığı v Özgül Hacim

VH Motorun Toplam Strok Hacmi(cm³) VH Toplam Strok Hacmi(m³)

W H2O Bileşiğinin Katsayısı Wnet Net İş

xr Havanın Nem Oranı z Silindir Sayısı ηt Verim Oranı ηi İndike Verim(%)

ηm Teorik Adyabatik Verim

(22)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ(devam)

Simgeler Acıklama

ηİ İndike Verim ηM Mekanik Verim

ηi Organik Verim(İyilik Derecesi) ηe Efektif Verim

ρy Yakıtın Özgül ağırlığı(kg/cm³) λy Yanma Verimi

∆t Zaman(sn)

∆Vy Birim Zamandaki Yakıt Hacmi(cm³/sn)

(23)

1. GİRİŞ VE AMAÇ

Dünyada ve ülkemizde otomotiv sektörü özellikle son 20 yılda önemli bir gelişme göstermiştir. Bilgisayar teknolojisinin gelişmesi ile birlikte otomotiv sektörü de bu gelişmeyle birlikte değişim sürecine girmiştir. Dizel motorlarda yaklaşık 20. yy.

başından beri temel olarak değişmeyen mekanik tasarım ve klasik kontrol yöntemleri de bu değişimden etkilenmiştir. Klasik kontrolün yerine elektronik kontrol alarak dizel motorlar “ Elektronik Dizel Motorlar” olarak adlandırılmaya başlanmıştır.

Günümüz tüketicisinin ilk sıradaki isteğinin iyi motor performansının yanında düşük yakıt tüketimi olduğu görülmektedir.Dizel motorların ilk gelişiminden günümüze dizel motor teknolojisi incelendiğinde gelişim sürecinin temelinde motor performansını arttırırken yakıt tüketimini minimize etmeye yönelik çalışmaların olduğu görülmektedir.

Örnek olarak günümüz motorlarında turbo kompresörün yaygın olarak kullanılması ve bu teknolojinin gelişmesi, motorlarda elektronik kontrole geçilmesi verilebilir.

Günümüz motorlarında gerek performans kontrolünü sağlamak, gerek yakıt tüketim optimizasyonunu sağlamak, gerekse de egzoz salınım normları gibi çeşitli yasal normlar sebebiyle mekanik dizel motorlar elektronikle birleştirilerek “ Elektronik Kontrollü Dizel Motorlar” yaygın olarak kullanılmaktadır.

Bu çalışmada Elektronik Kontrol Ünitesi vasıtasıyla dizel motorların nasıl kontrol edildiğini ve motor karakteristiğinin bundan nasıl etkilendiği açıklanacaktır. Örnek bir dizel motorun öncelikle mevcut çalışma durumunu ve motor karakteristiğini belirleyen temel parametrelerin mevcut halleri incelenecektir. Daha sonra yapılacak olan deney tasarımı ile temel motor karakteristiğine etki eden bu parametreler değiştirilerek motorun yakıt tüketiminde ve birim yakıt tüketimiyle ürettiği tork değerindeki değişim gözlemlenecektir. İnceleme sonrasında örnek motorun minimum yakıt tüketimi ile optimum koşullarda çalışabilmesi için incelenen parametrelerde matematiksel eşitlik yazılacaktır.

(24)

2. İÇTEN YANMALI MOTORLAR

2.1. İçten Yanmalı Motorların Tarihçesi

İçten yanmalı motorların tarihçesi kronolojik olarak aşağıdaki gibi verilebilir:

• Fransız Lenoir ilk çalışan içten yanmalı motoru 1860 yılında icat etti. Kömür gazıyla çalışan bu motorun verimliliği sadece %3 olarak bilinmektedir.

• Nicolaus August Otto ve Eugen Langen 1867 yılında verimliliği %9 olan bir içten yanmalı motoru Paris Dünya Sergi’sinde sergilediler.

• Nicolaus August Otto 1878 yılında ilk 4 zamanlı motoru icat etti. Motorun verimliliği % 15 olarak bilinmektedir.

• Gottlieb Daimler ve Wilhelm Maybach 1883 yılında ilk sıcak tüp ateşlemeli yüksek devirli 4 zamanlı benzin motoru geliştirdiler.

• Robert Bosch 1887 yılında motorlar için elektrikli ateşlemeyi geliştirdi.

• Wilhelm Maybach 1893 yılında karbüratörü icat etti. Bu benzinli araçlar için bir dönüm noktası oldu.

• Rudolf Diesel 1897 yılında kendi adıyla anılacak olan yüksek basınçla sıkıştırılmış havanın içerisine yine basınçlı hava yardımıyla gazyağı püskürterek çalıştıran bir motor üretti. Üretilen ilk dizel motorun verimi %26 idi. Bu tarihten itibaren özellikle Avrupa pazarında büyük hareketlenmeler oldu.

• Ford Firması ilk motorunu 1898 yılı içerisinde üretti. Bu içten yanmalı motorlarda seri üretime geçilmesi için önemli bir adım oldu.

(25)

Bu tarihten itibaren içten yanmalı motorlarda gelişme kaçınılmaz oldu. Bundan sonraki amaç yakıt tüketimini azaltmak, yanma verimliliğini arttırmak ve egzoz salınımlarını düzenlemek yönünde olacaktı. (FordOtosan Eğitim Yayınları, 2003 )

İçten yanmalı motorlar incelenen kriterlere göre değişik şekillerde sınıflandırılabilirler.

2.2. İçten Yanmalı Motorların Sınıflandırılması

2.2.1 Silindir düzenlemesine göre

Temel olarak 6 çeşit motor bulunmaktadır.

• Sıralı motor

• V motor

• Yatık motor

• Radyal motor

• U motor

• Karşıt pistonlu motor

2.2.2 Çalışma zamanlarına göre

• 4 zamanlı motor

• Zamanlı motor

2.2.3 Ateşleme türüne göre

• Kıvılcım ateşlemeli benzinli motor

• Sıkıştırma ile tutuşmalı dizel motor

(26)

2.2.4 Karışımın oluşumuna göre

• Karbüratörlü motor

• Yakıt püskürtmeli motor

2.2.5 Soğutma yöntemine göre

• Su soğutmalı

• Hava soğutmalı

2.2.6 Temel hareketin elde ediliş şekline göre

• Strok pistonlu motorlar

• Döner pistonlu motorlar

• Türbinli motor

• Jet motoru

2.2.7 Supap düzenine göre

• Üstten supaplı motorlar

• Yandan supaplı motorlar

2.2.8 Havanın silindirlere doldurulma şekline göre

• Doğal emişli motorlar

• Turbo şarjlı motorlar

2.2.9 Yakıt türüne göre

• Benzinli motorlar

• Dizel motorlar

• Doğalgazlı motorlar

• Çok yakıtlı motorlar

(27)

2.3. Temel Çevrimlerin İncelenmesi

İçten yanmalı motorlarda temel olarak iki tip çevrim mevcuttur.

2.3.1 Otto çevrim

Yakıt olarak benzin kullanılır. Silindir içine alınan havanın kontrolü gaz kelebeği ile sağlanır. Benzin karbüratörle emme manifoldunda hava ile karıştırılır veya direkt olarak yanma odasına püskürtülür. Karışımın ateşlenmesi için buji kullanılır. Gaz kelebeği kapalı iken silindire giren hava miktarı azalacağı için silindir içi basınç düşer.

Silinidir içi basıncı kontrol ederek performansı kontrol etmek maksadıyla gaz kelebeği kullanılır.

2.3.2 Dizel çevrim

Yakıt olarak genellikle mazot kullanılır. Giriş havasını kontrol eden bir kelebek bulunmaz ve güç silindire gönderilen yakıt miktarı ile kontrol edilir. Yakıt hava karışımını tutuşturmak için mazotun tutuşma sıcaklığının daha yüksek olması sebebiyle daha yüksek sıcaklıklara çıkmak gerekir.

Sıkıştırma oranı benzinli motorlarda 6–12 arasında iken dizel motorlarda 12–26 arasındadır.

4 Zamanlı motor çevrimine göre karşılaştırmalı olarak aşağıdaki gibi verilebilir.

(28)

Çizelge 2.1 Otto ve Dizel Çevrim 4 Motor Zamanı İçin Karşılaştırılması

OTTO ÇEVRİMİ DİZEL ÇEVRİMİ

Emme Zamanı Piston ÜÖN’ dan AÖN’ ya doğru

hareket ederken yakıt-hava karışımı gaz kelebeği ve açık olan emme supabından geçerek silindire dolar.

Piston ÜÖN’ dan AÖN’ ya doğru hareket ederken hava açık olan emme supabından geçerek silindire dolar.

Sıkıştırma Zamanı Piston AÖN’ dan ÜÖN’ ya hareket

ederken emme ve egzoz supapları da kapalı olduğundan karışımın sıcaklık ve basıncı artar. Sıkıştırma stroğunun sonuna doğru karışım buji ile ateşlenir.

Piston AÖN’ dan ÜÖN’ ya hareket ederken emme ve egzoz supapları da kapalı olduğundan havanın sıcaklık ve basıncı artar. Sıkıştırma stroğunun sonuna doğru dizel yakıt silindir içerisine püskürtülür.

Genişleme(Güç) Zamanı Yanmaya başlayan sıcaklığı ve basıncı

artan hava-yakıt karışımının tamamen yanmasıyla yanma odasının basıncı artar.

Yüksek basıncın etkisiyle piston yüzeyinde itme kuvveti meydana gelerek piston ÜÖN’ dan AÖN’ ya hareket eder.

Sıkıştırma stroğunda püskürtülen dizel yakıt buharlaşarak ve hava ile karışarak kendi kendine tutuşur.

Yanma sonucu ortaya çıkan yüksek basıncın etkisiyle piston yüzeyinde itme kuvveti meydana gelerek piston ÜÖN’ dan AÖN’ ya hareket eder.

Egzoz Zamanı Pistonun AÖN’ ya vardığında egzoz

supabı açılır. Piston AÖN’ dan ÜÖN’ ya hareket ederken açık olan egzoz supabından egzoz gazları dışarıya püskürtülür.

Pistonun AÖN’ ya vardığında egzoz supabı açılır. Piston AÖN’ dan ÜÖN’

ya hareket ederken açık olan egzoz supabından egzoz gazları dışarıya püskürtülür.

Bunların haricinde bir de Karma Çevrim (Seiliger) çevrimi mevcuttur. Bu çevrimde ısı kısmen sabit hacimde, kısmen sabit basınçta verilir. Genel olarak bakıldığında ısı girişi süreci(yanma) hariç dizel çevrime benzer.

(29)

3. MOTOR KARAKTERİSTİĞİ

3.1 Motor Karakteristiğini Belirten Temel Kavramlar

Motorun çalışma durumunu, verimini ve diğer özelliklerini tanımlamak için genel geçerliliği olan kavramları aşağıdaki gibi verebiliriz.

3.1.1 İndike güç(İç güç)

Motorda yanma enerjisinin (kimyasal enerjinin) mekanik enerjiye dönüşmesi silindirin içerisinde olduğundan silindirlerin içerisinde pistonun üzerinden alınan güce İndike Güç denir. Motorun P-V diyagramına İndikatör Diyagramı denir.

Pozitif iş(W+)

Sıkıştırma ve genleşme stroklarında yapılan pozitif iştir(Nm).

Negatif iş(W-)

Emme ve egzoz zamanlarında yapılan iş, diğer bir deyişle harcanan enerjidir.(Nm) Motorun indike gücü aşağıdaki şekilde gösterilebilir.

Pİ = z x nç x Wi (22)

Şekil 3.1 Örnek bir indike güç diyagramı (Sürmen, A., Karamangil, M. ve Arslan R., 2005)

(30)

3.1.2 Özgül yakıt sarfiyatı

Birim motor gücü için harcanan kütlesel yakıt miktarıdır.

Aşağıdaki şekilde gösterilebilir:

bi= (3600 x my) = (3600 x ∆Vy x ρy) (23)

Pi Pi x ∆t

3.1.3 Ortalama indike basınç

Motorda indike gücün elde edilmesi için gerekli olan pistona etki eden basıncın sabit olduğu varsayılarak sabit kabul edildiği basınçtır.

Ortalama indike basınç aşağıdaki şekilde gösterilebilir.

Pmi= z x Wi = z x 1000 x Pi = Wi = (1000 x Pİ ) (24) VH z x nç x VH Vh nç x VH

3.1.4 İndike verim

Net işin bir çevrimde motora verilen Q yakıt enerjisine oranının % biçiminde ifadesidir.

ηi = Wi = Pi = 3600000 (25)

Qy my x Hu bi x Hu

3.1.5 Ortalama efektif basınç

Motorun gerçek çevrimdeki Pe değerini alması için bir strok boyunca piston üzerine etki etmesi gereken sabit basınçtır.

Pe =z x We x n = We (26)

Vh

3.1.6 Mekanik verim

Silindirdeki sürtünme ve pompalama kayıplarının çıkarılmasıdır.

ηm = We = Pe = bi = ηe (27)

Wi Pi be ηi

3.1.7 Efektif verim

Motor milinden alınan işin motora verilen toplam enerjiye oranıdır.

(31)

ηm = We = Pe ve my = be x Pe

QT my x Hu 3600

Ηe = 3600 my(g/s) , be (g/kWh) , Hu (J/g) dır. (28) be x Hu

Hu yakıtın ısıl değeri olup kimyasal bir özelliktir. Bazı yakıt türleri için aşağıdaki gibidir.

Çizelge 3.1 Bazı yakıt türleri için ısıl değeri(Bosch Yayınları, 2001)

Yakıt My

(kg/kmol) Kimyasal Formül Hmin

(kg/kg) Hu

(kJ/kgY)

Benzin 98 C6,942H14,7 14,9 43900

Motorin 170 C12,226H23,290 14,5 43350

LPG 51 C3,498H9,027 15,5 45900

3.1.8 Motorun güç eğrilerinin incelenmesi

Şekilde örnek bir motor için kısmi yükler için be – pme eğrileri verilmiştir. Değişik devirler için kısmi yük eğrilerinden yararlanılarak minimum yakıt sarfiyatını sağlayacak be eğrileri elde edilebilir.

Şekil 3.2 Örnek be – pme eğrisi(Sürmen, A., Karamangil, M. ve Arslan R., 2005)

(32)

Motorun performans eğrisi olan tam yük eğrisi şekildeki tam tüm noktalarının birleştirilmesi ile oluşturulur.

Bir motor için değişik noktalardaki Pe , Md, be kullanılarak şekildeki performans eğrileri hazırlanabilir.

Şekil 3.3 Örnek bir motor için performans eğrisi(Heywood, H., 1998)

Sabit güç eğrilerini çizmek için Pme = Pe x 1 kullanılarak tam yük eğrisine teğet geçen maksimum güç eğrileri çizilebilir.

3.2 Motor yakıtının özellikleri

Motorda yakıt sıkıştırma stroğunun sonuna doğru püskürtüldüğü için yakıt yanma odasında yaklaşık 500 C – 600 C arası bir sıcaklıkla karşılaşır. Yakıt için en önemli özellik kendi kendine tutuşma özelliğidir. Kendi kendine tutuşma özelliği Setan sayısı ile ifade edilir. Dizel yakıt içerisinde HC bileşenleri, az miktarda S,N ve H2O içerir.

Kendi kendine tutuşma özelliğinin yakıtlar için düşük olması tercih edilir. Yakıtlarda istenen performans özellikleri aşağıdaki gibidir.

(33)

3.2.1 Vuruntu mukavemeti

Yanma odasına püskürtülen yakıtın tutuşma mukavemeti düşük olmaması durumunda yakıtın tutuşmasıyla darbe etkisi şiddetli olur. Setan Sayısının 70’den büyük olması durumunda ısıl değeri düşük olduğundan ideal olarak SS<70 standardını sağlayan yakıtlar tercih edilmelidir.

3.2.2 Uçuculuk

Düşük sıcaklıkta buharlaşabilen yakıtların kullanılması durumunda özellikle ilk çalıştırmada ve düşük ortam sıcaklıklarında avantaj sağlanır. Ancak uçuculuk özelliğinin artması kendi kendine tutuşma özelliğini kötüleştirir. Bu sebeple çalışma koşullarına göre yakıtın içerisine katık katılarak bu iki özelliğin optimizasyonu sağlanır.

3.2.3 Viskozite

Viskozitenin çok düşük olması durumunda yakıt pompasının pompalaması açısından, çok yüksek olması durumundan depodan yakıt çekilmesi ve enjektörden püskürtme viskozite açısından problem çıkartır. Yakıtın taneciklerinin tam olarak yanması için viskozitenin belirli aralıklarda olması gereklidir. Özellikle soğuk havalarda ilk çalıştırma esnasından araç motorundan beyaz duman atması viskozitenin düşmesinin sonucudur.

3.2.4 Yakıt ve yanma ürünlerinin korozitif özelliği

Dizel motorlarda yakıttaki kükürt oranı hem emisyon hem de korozyon açısından istenmeyen bir özelliktir. Yakıtın içerisinde normalin üzerinde Na bulunması ve yakıtın içerisindeki suyun tuzlu su olması durumunda korozyon meydana gelebilir.

3.2.5 Tortu miktarı

Yakıtın yanma sonucunda aşırı miktarda tortu bırakması yani kurum oluşturması istenmeyen bir özelliktir. Oluşan kurumlar silindir iç kısmında, piston-segman bölgelerinde ve supap yuvalarına yakın kısımlarda birikerek motor performansını olumsuz yönde etkiler. Yakıtın içerisindeki C oranının yüksek olması bu oluşumu arttırmaktadır.

(34)

3.2.6 Çinkoya karşı aktivitesi

Yakıt depolarının iç kaplamalarında Zn (Çinko) içermesi durumunda Zn elementi yakıt ile reaksiyona girerek korozitif özelliği arttırabilir. Bu sebeple Zn elementine karşı ilgisi yüksek olmamalıdır.

3.2.7 Akma noktası - Donma noktası

Akma noktasının düşük olması durumunda özellikle soğuk havalarda filtre şişmesi tabir edilen tıkanmalara yol açabilmekle birlikte normal koşullarda da yakıtın süzülmesine engel oluşturmaktadır. Yakıtın bu özelliğinin düşük olması durumunda yakıt bulanıklaşarak kristal yapı oluşturmaya başlar.

3.2.8 Alevlenme noktası

Yakıtın kendi kendisine alevlenerek düşük sıcaklıklarda parlaması tehlike oluşturmaktadır. Bunun için yakıtın alevlenme noktasının çok düşük olması istenmez.

3.2.9 Yakıtın özgül ağırlığı

Yakıtın bu özelliği direk kimyasal bir özellik olduğu için yakıtın saf olması ile bağlantılıdır. Yakıtın saf olduğunun teyidi açısından yakıtın özgül ağırlığı standartlar içerisinde olmalıdır.

3.3 Yanmanın Kimyasal Olarak İncelenmesi

Yanmanın başlayabilmesi için yakıtın belirli bir sıcaklığa erişmesi gerekir. Isının oluşması için temel olarak hava sıkıştırılır. Ancak bunun yeterli olmadığı durumlarda kızdırma bujisi gibi sistemlerle gerekli ısı oluşumu sağlanır. Yanma olayında içeri alınan havada bulunan O2 yakıtla reaksiyona girerek yanmayı oluşturur. Alınan havada bulunan N ise yüksek sıcaklarda NOx oluşturur. Oluşan bu NOx ‘in emisyon sebebiyle belirli değerlerde tutulması gereklidir.

Yanma iki tür olarak meydana gelir.

(35)

3.3.1 Yanmanın Temel Olarak İncelenmesi Tam yanma

Yanma sonucunda yakıtın tamamı yanar ve çıkan ürünler CO2 , H2O , SO2 , O2 ve N2 dir.

Eksik yanma

Yukarıdaki tam yanma ürünlerinin yanı sıra C, CO, OH, HC ve NOx gibi eksik yanma ürünleri ortaya çıkar.

Hava fazlalık katsayısı(λ) <1 veya > 1 için eksik yanma söz konusudur.

Tam yanma

Havanın içerisinde bulunan nem oranını xr olarak alırsak yanma denklemini aşağıdaki gibi gösterebiliriz.( Sonntag, W., Borgnakke., S. and Van Wylen, 1998)

CcHhOoNnSs(H2O)w + Qmin(O2 + 3,762 N2 +7,63xr H2O) cCO2 +(0,5h + w + Qmin7,63xr ) H2O + sSO2 + (0,5n +3,762 Qmin) N2 (37)

Eksik yanma

Eksik yanma reaksiyonu aşağıdaki gibi ifade edilebilir. İlk olarak λ ≥ 1 için aşağıdaki denklem verilebilir.( Sonntag, W., Borgnakke., S. and Van Wylen, 1998)

CcHhOoNnSs(H2O)w + λQmin(O2 + 3,762 N2 +7,63xr H2O) c1CO2+ c2CO+c3C (0,5h1 + w + λQmin7,63xr ) H2O +0,5h2H2 + sSO2 +(0,5n +3,762 λQmin) (38)

Eksik yanma λ < 1 için yanma ürünü olarak O2 açığa çıkmaz.

CcHhOoNnSs(H2O)w + λQmin(O2 + 3,762 N2 +7,63xr H2O) c1CO2+ c2CO+c3C (0,5h1 + w + λQmin7,63xr ) H2O +0,5h2H2 + sSO2 +(0,5n +3,762 λQmin (39)

(36)

4. GENEL YAKIT PÜSKÜRTME YÖNTEMLERİ

4.1 Yakıt Sistemleri

Son yıllarda piyasa koşulları nedeniyle sürücünün temel olarak 3 isteği bulunmaktadır:

• Az yakıt tüketimi,

• Yüksek çekiş,

• Çabuk ivmelenme.

Bu üç isteğin yanında egzoz salınımları nedeniyle aracın saldığı NOx miktarının kontrolünün sağlanması ve normların uygun olması elektronik motor kontrolünü zorunlu kılmaktadır.

Günümüzdeki yakıt püskürtme sistemlerinin temel olarak 2 ana hedefi vardır.

4.1.1 Yakıtın yüksek basınçta püskürtülmesi

Yüksek basınç altında yakıt daha küçük taneciklere ayrılarak oksijenle daha iyi karışabilecek hale gelir.Böylece optimum yanma sağlanabilir.

4.1.2 Püskürtülen yakıt miktarının tam olarak ölçülebilmesi Gereğinden fazla yakıt püskürtülmesi önlenmiş olur.

Bunları yaparken de yakıt vuruntusu ve motorun emisyon değerlerine dikkat edilmelidir.

Yakıt vuruntusu ön püskürtme ve ana püskürtme olarak da yapılarak yanma odasının esas püskürtme öncesinde belirli bir sıcaklığa ulaşması sağlanarak önlenebilir.

Emülsiyon değerleri ise EGR (Egzoz Gazları Geri Çevrimi) soğutucusu kullanılarak veya motor haricinde üre tankı kullanılarak sağlanabilir.

(37)

Yakıt sisteminde kullanılan pompalarda ikiye ayrılmaktadırlar.

Mekanik pompalar

Motor çevrim sisteminden tahrik alırlar, motor devri ile birlikte püskürtme basıncı artar.

Ortak yakıt yollu elektronik pompalar

Püskürtme yöntemi yakıt pompası ile yakıt basıncının arttırılması, elektronik kontrollü yakıt yolu ve püskürtücüler vasıtasıyla püskürtülecek yakıt basıncının ayarlanmasıdır.

Motor devri- yakıt basıncı ilişkisi örnek bir motor için karşılaştırmalı olarak aşağıdaki gibi verilebilir.

Şekil 4.1 Örnek bir motor için her iki yöntemin karşılaştırılması (Bosch,1996)

(38)

4.2 Yakıt Sistemine Yardımcı Diğer Sistemler

Motorda ideal bir yanmanın gerçekleşebilmesi için gerekli olan temel bileşenleri aşağıdaki gibi sıralayabiliriz ve bunların bir kısmını direk kontrol edebiliriz.

y = x1 , x2 , x3 …

İdeal yanma = Yakıt miktarı, yakıt basıncı, giren hava miktarı, giren hava basıncı (boost basıncı), yakıt sıcaklığı, soğutma suyu sıcaklığı, yakıt niteliği ….

Bu bileşenlerden boost basıncı harici diğer bileşenler direk olarak kontrol edilebilir. Bu bileşenlerin yer aldığı yakıt sistemi ayrıntılı olarak incelenecektir. Ancak yakıt sistemine yardımcı olan hava emiş sistemi ve soğutma sistemi öncelikle incelenmelidir.

4.2.1 Hava emiş sistemi

Hava emiş sistemi ile motora giren hava basıncı ve hava miktarı ölçülebilir. Ayrıca elektronik kontrol ünitesi vasıtasıyla da hava miktarı ve boost basıncına göre yakıt sistemi de kontrol edilerek silindire gönderilen yakıt miktarı ayarlanabilir. Böylece zengin karışım oluşması önlenerek yakıt ekonomisi sağlanabilir.

Günümüz motorlarında motor performansını arttırmak açısından doğal hava emiş sistemine ek olarak turbo şarj ünitesi bulunmaktadır. Turbo şarj ünitesinin temel amacı motora giren hava miktarını optimum şekilde ayarlayabilmektedir.

İdeal olarak motorun belirli bir motor devrinde ve belirli bir yükte çalıştığı her koşulda aynı torku vermesi istenir. Ancak özellikle havanın seyreldiği yüksek rakımlı yerlerde deniz seviyesindeki bir bölgeyle kıyaslandığında doğal hava emiş sistemine sahip bir motorun verdiği torkun daha düşük olduğu görülür. Bunun sebebi ise giren hava basıncının atmosfer basıncının düşük olması sebebiyle daha düşük olmasıdır. Ayrıca motora aynı debide hava alınmasına rağmen havanın yoğunluğunun daha düşük olması sebebiyle daha düşük miktarda hava alınmasıdır.

(39)

Motora giren boost basıncı atmosfer basıncı değiştirilemeyeceği için arttırmak pek mümkün ve pratik olmadığından hava miktarının arttırılması hedeflenmiştir. Turbo şarj sistemleri bu etapta kullanılarak motorların her ortam koşullarında aynı performansı vermesi sağlanır.

Turbo şarj sistemi basitçe şematik olarak aşağıdaki gibi gösterilebilir.

Şekil 4.2 Turbo şarj sistemi (FordOtosan Eğitim Yayınları, 2003)

Egzoz gazı olarak motordan atılan yanma ürünü hava bir türbini çevirerek sistemden dışarı atılır. Bu türbinin bağlı olduğu milin diğer ucu ise bir kompresöre bağlıdır. Bu şekilde atılan egzoz gazı kullanılarak doğal hava emiş sistemine ilave olarak motora hava emişi sağlanır. Hava miktarının seyrek olduğu bölgelerde deniz seviyesine nazaran türbin daha yüksek devirlerde çalıştırarak silindir içine verilen hava miktarı arttırılabilir. Böylece motorun her ortam koşulunda aynı performansı vermesi sağlanabilir.

Günümüz motorlarında kullanılan turbo şarj sistemlerinde kompresörün kanatçık açılarının kontrol edilebildiği sistemlerde mevcuttur. Bu sistemlerin kullanılması durumunda motora alınan hava miktarı türbin devrinin yanı sıra türbin kanatçıkları ile de miktar olarak kontrol edilebilir. Bu sistemin kullanılması durumunda motorun ani

(40)

yüklenmelerle oluşacak hava ihtiyacı daha iyi bir şekilde karşılanabilir. Ancak maliyetleri klasik türbinlere göre oldukça yüksektir.

4.2.2 Soğutma sistemi

Soğutma sistemi hava emiş sistemine göre daha dolaylı bir etkiye sahiptir.

Soğutma sistemi ile temel olarak silindirde ideal yanmanın olabilmesi için yakıtın ısıl veriminin en iyi şekilde değerlendirilmesi ve silindirin mekanik olarak zarar görmemesi gerekir. Bunun içinde optimum soğutmanın sağlanması gerekir. Silindirin fazla soğutularak yanma sonucu oluşan ısının kaybedilmemesi aynı zamanda da silindirin termal yüklere maruz kalmaması gereklidir. Elektronik kontrollü motorlarda motor soğutma suyu sıcaklığı ve yakıt sıcaklığı sürekli olarak ölçülerek elektronik kontrol ünitesindeki haritalara aktarılır.

Bu veriler silindirin içerisine verilen yakıt miktarının hesaplanmasında kullanılır.

Soğuk ortamlarda çalışan motorlarda özellikle motorun ilk çalışması sırasında fazla yakıt püskürtmesi önlenerek motoru hem mekanik olarak korunur hem de yakıt ekonomisi sağlanmış olur. Ayrıca egzoz emisyon değerlerinin sağlanmasına da olumlu etki eder.

Buna ilave olarak motorda soğukta çalışma yardımcıları olarak tanımlanan kızdırma bujisi gibi sistemler çalıştırılarak motora alınan soğuk hava ön ısıtmaya tabi tutulur. Böylece silindire soğuk hava alınarak silindirde oluşan ısının bir kısmının soğuk havayı ısıtmak için kullanılması önlenmiş olur.

(41)

5. DİZEL MOTORLARDA ELEKTRONİK KONTROL

5.1 Motorlarda Elektronik Kontrol

Motorlardaki klasik sistemlerin ve mekanizmaların sık sık arıza yapmaları ve bakım masrafları otomotiv endüstrisini başka yollara itmiştir. Gelişen bilgisayar teknolojisinin kullanılması otomotiv sektöründe kaçınılmaz olmuştur. Elektronik sistemlerin otomotiv sektöründe kullanılması ilk bakışta yatırım maliyetinin fazla olmasına rağmen uzun vadede bakım, yedek parça, yakıt ekonomisi ve dolayısıyla müşteri memnuniyetini sağlamasıyla sektörde giderek yaygınlaşmıştır.

Günümüz otomotiv sektöründe motor ve araç aksamlarında elektronik kontrol yaygın olarak kullanılmaktadır.

5.1.1 Mikro işlemcili kontrol sistemi

Mikro işlemcili kontrol sistemi birden fazla mikro işlemciden oluşan sitemlerdir ve kontrol ve karar işlemlerinin kararlı hale getirirler. Bu işlem olay- sebep-sonuç ilişkisine benzer olarak çalışır.

Sistemler analog ve dijital şekilde olabilir yada sadece dijital olabilir. Sistem basit olarak giriş ünitesinden alınan girdinin mikro işlemcideki program vasıtasıyla işleyerek çıkış ünitesine gönderilmesidir. Mikro işlemcide ayrıca bilgi hafıza ünitesinde de saklanabilir.

Şekil 5.1 Örnek mikro işlemci genel görünümü

(42)

Mikro işlemci sisteminin içyapısı ayrıntılı olarak aşağıdaki gibi gösterilebilir.

Şekil 5.2 Örnek mikro işlemci içyapısı (Sürmen, A. ve Aslan, R., 2004)

Şekilde bileşenler aşağıdaki gibi incelenebilir.

5.1.2 Giriş elemanı

Giriş elemanı sensördür. Sensörler ölçülebilen hız, sıcaklık, basınç, seviye gibi fiziksel büyüklükleri elektriksel sinyallere çeviren sistem elemanlarıdır. Sensörlerin iki tip çıktıları olabilir.

Analog sinyal

Elektriksel sinyal olarak çıkar. Analog/dijital çevrimci vasıtasıyla dijital sinyale çevrilerek mikroişlemciye gönderilir.

Dijital sinyal

Sensör tarafında analog sinyale çevrilerek mikro işlemciye gönderilir.

5.1.3 Mikro işlemci

İçerisindeki program vasıtasıyla kendisine iletilen sinyali inceleyerek dijital sinyali anlamlı bütün haline getirir. Çıkış elemanına sinyali iletir.

Mikro işlemci kontrol sistemleri açık ve kapalı devre olmak üzere iki tiptir.

Açık devre kontrol sistemleri

Sistem giriş sinyalini işleme koyar ve çıkışa iletir. Ancak işlemin ne oranda gerçekleştiği veya gerçek değere uygunluğunu kontrol etme şansı olmaz.

(43)

Şekil 5.3 Açık devre kontrol sistemi genel gösterim(Sürmen, A. ve Aslan, R., 2004)

Kapalı devre kontrol sistemleri

Açık devre sisteme ek olarak bulunan geri besleme sensörü ile çıkış değeri izlenerek sistemin çıkış değeri kontrol altında tutulur.

Çıkış değerinin istenilenin altında veya üzerinde olması durumunda mikrobilgisayar çıkışı istenilen seviyeye çeker. Maliyetleri ilave sensör sebebiyle açık devre kontrol sistemlerinden fazladır.

Şekil 5.4 Kapalı devre kontrol sistemi genel gösterim(Sürmen, A. ve Aslan, R., 2004)

5.1.4 Mikrobilgisayarlar

Mikrobilgisayarlar içlerinde bulunan programlar vasıtasıyla bilgileri programlanan işlemlerden geçirerek son fonksiyona çevirirler.

Sistemin beyni merkezi işlem ünitesidir. Burada programda yazılan komut kodları yerine getirilir. Giriş ve çıkış kapıları ise işlenecek ve işlenmiş olan bilgilerin

(44)

mikrobilgisayarla eş zamanlı alımı ve iletimi için kullanılan arabirimdir. Hafızada ise işlenmiş komutlar ve bilgiler tutulur.

Sistemdeki giriş kapıları sensörden bilgi girişlerini sağlar. Mikro işlemci bu bilgileri çıkış kontrol kararlarına çevirir. Çıkış kapıları mikro işlemcideki kontrol sinyallerini harekete çevirecek olan devrelere aktarır.

Mikro işlemcinin sistemin diğer elemanları olan hafıza, giriş kapısı ve çıkış kapıları ile iletişimi üç hat ile gerçekleşir:

• Adresleme hattı

• Bilgi hattı

• Kontrol hattı

Adresleme hattı

Mikro işlemci bu hat vasıtasıyla çalışacağı birimin adres kodunu sisteme tanıtır.

Adres hattına çıkarılan kod adres kod adres çözücüler tarafından çözülerek mikro işlemcinin hangi birimle çalışmak istediği ortaya çıkarılır.

Bilgi hattı

Mikro işlemcinin çalışmak istediği birim aktif hale gelince bilgi hattına çıkarılarak ilgili birime gönderilmek istenen bilginin taşındığı hattır.

Kontrol hattı

Mikro işlemcinin ilgilendiği birim adres hattı ile ilgilendiği bilgi hattına belirlenince mikro işlemcinin bu bilgiyi yazma veya okuma işlemine uğratacağına kontrol sinyalleri ile karar verilir. Kontrol hattı bu sinyallerin taşındığı hattır.

Mikroişlemciden komut kodları hafızadan alınarak işlenir. Komut kodlarının bulunduğu hafıza adresi program sayacı yazmaçlar tarafından tutulur. Buradaki adrese gidilerek komut kodu alınması ile program sayacı kendini 1 arttırır. Böylece bir sonra gidilecek olan hafıza adresinin değerini taşımaya başlar. Mikro işlemcide komut

(45)

kodunun çözülerek işlemin yerine getirilmesi ile yeni komut için program sayacına bakılır.

Hafızada okunan komut kodu komut kodu yazmacına gelerek komut kodu çözücüsünde çözülür. Hafıza bölümünde kendine özgü kurallarla çalışan bölüme yığın ismi verilir. Yığının boş alanını ise yığın göstergeci gösterir. Mikro işlemci çalıştırdığı programdan başka bir programa geçmesi gerektiğinde programın komutları ile ilgili yardımcı bilgileri yazmaç içeriklerinde saklar. İşlem 2. programa geçer. 2. programda tamamlandığında yığında 1. programla ilgili bilgiler alınır.

Bir programda pek çok alt program bulunur. Her alt program değişik bir amaca yöneliktir. Ana programda alt programlar çalışacağında mikro işlemciye alt programın başlangıç adresi verilir, ana programın o anki bilgileri yığında saklanarak alt programa yönelinir. Her alt program sonlandığında ana program yığındaki bilgileri alarak kaldığı yerden devam eder.

5.1.5 Hafıza haritaları

Bilgisayarlı kontrol sistemlerinin mekanik kontrolü sağlamak için referans 3-D haritalar veya 2-D diyagramlar hafıza tablolarında saklanırlar. Haritalarda 2 adet girdi ile istenilen özelliğin değeri kaydedilir. Örnek olarak motorun çalışma sistemi ile ilgili olarak gaz pedalı pozisyonu ve motor devri girilerek o şartlar altındaki yakıt miktarı ayarlanabilir. Bizim de esas inceleyeceğimiz kısım bu kısımdır. 3-D haritalar veya 2-D diyagramlara müdahale edilerek motor çalışması değiştirilebilir, performansı arttırılabilir.

5.2 Günümüz Motorlarında Elektronik Kontrol Ve Yakıt Sistemi İlişkisi

Günümüz elektronik kontrollü motorlarda merkezi işlemci temel olarak aşağıdaki fonksiyonları yerine getirmektedir.

• Sürücü isteğine uygun şekilde araç hızının ve dolayısıyla motor devrinin kontrolü,

(46)

• Motor devrinin sağlanması için yakıt sistemi ile yakıt püskürtme değişkenlerinin kontrolü,

• Motorun aracın hasara karşı korunumu,

• Diğer araç üzerinde bulunan modüllerle iletişim(ABS, ASR),

• Motor arızalarının kaydedilmesi….

Araç motorları üzerinde yaygın olarak bulunan merkezi işlemci ve şeması aşağıdaki gibi gösterilebilir.

Şekil 5.5 Merkezi kumanda birimi girdi ve çıktılar genel gösterimi (Sürmen, A.

Aslan, R., 2004)

Sinyal girişleri şekilde gösterildiği gibi dijital ve analog olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Bunun sebebi örneğin ABS/ASR modülü gibi dijital sinyal gönderen modüllerle haberleşirken motorun aynı zamanda motor devrini algılamayı sağlayan krank sensöründen gelen sinyali algılayarak içerisinde bulunan A/D çevirici ile dijital sinyale çevirerek işlem yapabilmesini sağlamaktır.

Elektronik kontrol ünitesinin haberleştiği genel motor ve araç bileşenleri temel olarak yakıt sistemi ile ilişkilendirilerek aşağıdaki gibi gösterilebilir.

(47)

Şekil 5.6 Örnek bir motorun elektronik kontrolünün genel gösterimi (Bosch Yayınları, 2001)

Yukarıda verilen şema genel gösterim içindir. Şekilde gösterilen sistemde yakıt filtre sayısı teke düşebilir. Yani ön yakıt filtresi motorun kullanıldığı iklim koşulları ve yakıt kalitesine göre sisteme dahil edilmeyebilir.

Yakıt Basınç hattına bakıldığında yakıtın 2 farklı basınçta yol aldığı görülmektedir:

5.2.1 Alçak basınç hattı

Yakıtın aktığı yakıt deposu- ön yakıt filtresi- yakıt pompası arasındaki hatta verilen isimdir. Bu hatta yakıtın basıncı düşüktür.(Maksimum 10 bar)( Bosch Yayınları, 2001)

5.2.2 Yüksek basınç hattı

Yakıt pompasından sonraki kısımdır. Burada yakıt pompası vasıtasıyla yakıt basıncı arttırılır. Çıkan yakıt basıncı genel olarak 1400-1800 bar arasında seyretmektedir.( Bosch Yayınları, 2001)

(48)

Yakıt sisteminde genel olarak depodan emilen yakıt ön yakıt filtresinde içerisindeki yabancı büyük partiküller ayrıldıktan sonra yakıt pompasına gelmektedir.

Buradan ana yakıt filtresinde daha küçük yabancı partikülleri ayrılan yakıt ortak yakıt yoluna gelir. Yakıt buradan enjektörlere gelerek silindir içerisine püskürtülür.

Enjektörlerden, ortak yakıt yolundan ve pompadan dönen fazla yakıt ise yakıt deposuna geri döner. Elektronik kontrol sistemi temel olarak enjektörlerin yakıt püskürtme sürelerini kontrol ederek silindire gönderilen yakıt miktarını ve zamanını ayarlar.

Böylece yakıtın kontrolü sağlanmış olur. Bunun yanında şekilde de görülen pompa, ortak ray ve araç, motor üzerinden gelen sensörler vasıtasıyla motorun su sıcaklığı, yağ sıcaklığı, yağ basıncı, yakıt sıcaklığı gibi parametreler kontrol edilir. Bu parametrelerden bir kısmı yakıt püskürtme süresinin ve zamanın ayarlanmasında kullanılır. Böylece motor değişik ortam sıcaklıkları ve ortam basıncı gibi dış faktörlerin yanı sıra sürücünün pedal pozisyonu gibi talepleri de birleştirerek optimum yakıt tüketimini sağlar. Bununla beraber herhangi bir olumsuz durumunda örneğin yakıt basıncının aşırı düşmesi gibi motoru korumaya alarak olası motor arızalarının da önlenmesini sağlar.

(49)

6 .DENEYSEL ÇALIŞMADA KULLANILAN MOTOR

6.1. Motora Ait Genel Bilgiler

İncelememizde kullanacağımız motorun genel teknik özellikleri aşağıdaki gibidir.

Çizelge 6.1 Örnek motorun teknik özellikleri

Motor Teknik Özellikleri Genel

Çalışma prensibi 4 Zamanlı

Supap sayısı 24

Tipi Sıralı Tip

Silindir sayısı 6

Silindir çapı mm 112 Piston kursu mm 124 Silindir hacmi cm3 7330

Sıkıştırma oranı 17,4:1

Ateşleme sırası 153624

1 nolu silindir Motorun ön tarafındaki

Motor performansı ISO 1585

PS 300

Kw 221

d/d 2400

Maksimum tork Nm 1100

d/d 1440-1800

Motor Teknik Özellikleri

Fan tipi Viskoz

(50)

Motor dönüş yönü Motorun ön tarafından bakıldığında saatin dönüş yönünde

Rölanti devri d/d 700

Maksimum motor devri d/d 2400

Yanma prensibi Direkt Püskürtme

Motor yağı ACEA E3/E5 , API CH4

Yağ karteri kapasitesi lt 26 Yakıt sistemi

Yakıt sistemi Birinci Nesil Ortak Ray Tipli

Alt elemanlar YüksekBasınçPompası,OrtakRay,

Enjektörler Motor ebatları

Boy x En x Yükseklik mm 1184 x 1055 x 831

Ağırlık kg 720

Motor yardımcı ekipmanları

Maksimum su pompası debisi 350 lt/dak @ 2400 rpm Maksimum yağ debisi 125 tl/dak @ 2400 rpm Yakıt pompa debisi (düşük basınç) 280 lt/saat

(51)

Şekil 6.1 Motorun ön görünüş kesit resmi

İncelenecek motor EKÜ(Elektronik Kontrol Ünitesi) sahip olup motor yakıt sistemi ile birlikte motor, araç üzerindeki sensörler ve müşürlerinden gelen sinyalleri yorumlayarak motoru ve araç üzerin deki diğer sistemleri kontrol etmektedir. Motorun diğer sistemleri ile birlikte yakıt sistemi de Ekü’nün kontrolündedir. Yakıt deposundan gelen yakıt, yakıt filtresinden geçtikten sonra yakıt pompasına gelmektedir. Yakıt pompasında yakıtın basıncı arttırılarak ortak yakıt rayına gönderilir ve buradan enjektörlere dağıtılır. EKÜ kontrolündeki enjektör ve ray da yakıt göndererek veya yakıt gönderimini keserek motorun performansını belirler. Yakıt sisteminin genel gösterimi aşağıdaki gibidir.

(52)

Şekil 6.2 Yakıt sistemi şematik gösterimi (FordOtosan Eğitim Yayınları, 2003)

6.2 Temel Kontrol Parametreleri ve Açıklaması

Motor karakteristiğinin belirlenmesinde ilk faktör motor tasarımıdır. Motorun kullanılacağı yere göre motorun tork - devir grafiği ilk olarak belirlenir. Belirlenirken de temel kriterler göz önünde bulundurulur. Örneğin motor hacmi büyüdükçe motorun çıkabileceği maksimum devir düşer, motor torku da piyasanın ihtiyacına göre belirlenir.

Bu şekilde 2 eksenli devir(rpm) – tork(Nm) grafiği elde edilir. Bu verinin üzerinde baz motor tasarımı yapılır. Yani motorun verebileceği maksimum tork ve devir motor tasarımının ilk aşamasında belirlenmiştir. Motorun kontrol sistemi ile daha sonra bu sınırlar içerisinde motorun optimum kullanımı sağlanmaya çalışılır.

Burada temel faktör SFC dir. Tanım olarak bakıldığında SFC(Özgül Yakıt Tüketimi) motorun belirli devirde belirli bir torku verirken minimum yakıt tüketimini sağlamasıdır. Aşağıdaki şekilde gösterilebilir:

SFC = 9550000 x yakıt miktarı(kg/s) (44) tork(Nm) x devir(rpm)

(53)

Denklemden de görülebileceği üzere ideal olarak SFC değerinin minimum olması istenir. Bu da ancak motorun ilk devir-tork eğrisine sağdık kalındığı varsayılırsa motorun belirli devirde belirli torku verecek şekilde çalışırken kullandığı yakıt miktarını azaltması ile mümkün olur.

EKÜ temel olarak aşağıdaki fonksiyonları sağlamaktadır :

1- Araç motorunun uygun yakıt ile çalışmasını sağlamak, 2- Yeterli miktar ve basınçtaki havayı motora almak,

3- Yakıtın uygun zamanda(avansta) püskürtülmesini sağlamak,

4- Yakıt püskürtme başlangıcını optimum silindir içi basınca göre ayarlamak, 5- Yakıt püskürtme süresinin optimum olmasını sağlamak.

Kısacası optimum yanmayı sağlamak ile mümkün olur.

Günümüzde motor kontrol yöntemleri bu sebeple mekanikten elektroniğe geçmiştir ve bu temel amaca uygun olarak optimum yanmayı sağlamak, bunu yaparken de baz motor mekaniğini kullanım ömrünü uzatmak üzerine kurulmuştur.

6.3 Yakıt Sisteminin Ayrıntılı Olarak İncelenmesi

Yakıt sisteminde püskürtülen yakıt miktarının hesaplanması için temel ilke olarak “ belirli miktarda belirli basınçta yakıtın belirli bir zamanda belirli bir sürece püskürtülmesi” alınır. Bunun içinde geçerli olan temel haritalar aşağıdaki gibidir.

6.3.1 Püskürtme zaman haritaları

Temel olarak belirli bir motor devri için belirli miktar yakıtın püskürtülmesi için gerekli olan krank mili açısını verir. Motorda vuruntuyu engellemek ve yanma verimi açısından silindir içi ön ısıtmayı sağladıktan sonra esas yanmayı sağlamak için ana püskürtme ve ön püskürtme olarak ikiye ayrılır:

(54)

1-Ön püskürtme haritası

Genel kullanım olarak ön püskürtme haritası 1 ve ön püskürtme haritası 2 olarak 2 tip mevcuttur. Böylece ana püskürtme öncesi iki püskürtme yapılması sağlanmış olur.

2-Ana püskürtme haritası

Genel kullanım olarak tek ana püskürtme mümkünken 2 ana püskürtmeyi birbiri ardına uygulayan motor tipleri de mevcuttur.

6.3.2 Püskürtme süre haritaları

Bu haritadan belirli bir motor devri için belirli yakıt miktarını püskürtme için gerekli olan süre tanımlanmıştır. Ön ve ana püskürtmeler için iki ayrı tip olarak kullanılması yaygındır.

6.3.3 Püskürtme basınç haritaları

Belirli motor devri için belirli yakıt miktarının püskürtülmesi sırasında oluşturulması gereken yakıt basıncının hesaplandığı haritalardır.

6.3.4 Püskürtme sürdürülebilirlik haritaları

Belirli motor devrinde belirli gaz pedalı pozisyonunda püskürtülebilecek yakıt miktarını verir.

6.3.5 Sınırlama parametreleri

Dış ortam koşullarına göre sınırlama gruplarının yanında herhangi bir arıza durumuna göre motoru korumaya almak amacıyla motora giden yakıt miktarını sınırlayan haritalar bu kısımda bulunmaktadır. Belli başlı alt grupları aşağıdaki gibidir.

1- Dişli gruplarına göre sınırlama haritaları

Motorda kullanılan viteslere göre motor devrini ayarlamak için kullanılır. Böylece örneğin yüksek motor devirlerinde düşük viteste gidilmesi durumunda vites kutusu dişlilerinin zarar görmesi önlenmiş olur.